一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置

摘要

本发明公开一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，包括进气腔体、电动平移台和多个等离子体发生器；进气腔体的一侧设有进气通道，进气通道用以通入放电气体，进气腔体的底部设有多个出气孔；等离子体发生器通过连接器与出气孔连接；电动平移台位于等离子体发生器下方，待处理材料放置于电动平移台上，电动平移台用以带动待处理材料横向移动和纵向移动，同时调节进气腔体和待处理材料的竖直距离。可根据不同的放电需求随时更换放电结构，同时可根据不同的需求减少等离子体发生器的数量，能满足多种处理材料的要求，真正使大气压低温等离子体处理材料的灵活性得到了提高。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体射流处理材料技术领域，特别涉及一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置。

背景技术

在日常生活以及工业生产中，许多材料的特性并不能满足我们的使用要求，因此需要对这样的材料进行表面处理改变其一些特性。纤维材料是被人类使用得最多的材料之一，目前，对纤维表面改性的方法国内外学者已经进行了很多的研究，并取得了一定的成效，比如使用偶联剂改性、表面接枝处理法以及等离子体表面处理等。在这几种方法中，等离子体表面改性技术是其中一个研究热点。等离子体作为物质存在的第四种形态已经被人们所认识并应用于许多工程领域之中。等离子体指部分或完全电离的气体，是一种电离的气态物质。等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。国内学者通常将等离子体分为高温等离子体、热等离子体以及冷等离子体，其中热等离子体和冷等离子体被归为低温等离子体范畴，低温等离子体表面改性也是本研究的重点。低温等离子体中存在着大量且种类繁多的活性粒子，与通常的化学反应相比，低温等离子体中的活性粒子种类更多、活性更强。使用低温等离子体处理材料，活性粒子更加容易与材料表面发生反应，同时低温等离子体处理只作用于材料表面，不影响基体性能。除此之外，低温等离子体处理技术还具有容易操作、处理速度快、处理效果好、环境污染少以及成本较为低廉等优点，因此等离子体表面处理技术越来越受到人们的关注。

王宁等人在“基于微空心阴极的空气等离子体射流研究”中描述了一种以压缩空气作为放电气体并采用钼片-陶瓷-钼片的三明治型结构的等离子体射流装置，其中钼电极和陶瓷层的厚度均为0.8mm，中心为0.5mm的通孔，该结构能产生稳定的等离子体射流。Yong和Han等人在“Air plasma jet with hollow electrodes at atmospheric pressure[J].Physics of Plasmas,2007,14(5):053503”中描述了一种以压缩空气为放电气体并以1mm直径孔的电介质和空心电极组成的等离子体射流装置，该装置能产生单个长度约为2cm的等离子体射流，并用在处理材料上。林浩凡等人在“等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减”中使用了一种一维的针-环电极形式的等离子体射流装置，该装置由一根实心铜棒和一个三通石英玻璃管组成，使用高纯度Ar作为放电气体，在使用该等离子体射流装置处理环氧树脂表面沉积SiO x薄膜，提高了环氧树脂的绝缘性能。Fang Zhi在“Hydrophobicsurface modification of epoxy resin using an atmospheric pressure plasma jetarray[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2016,23(4):2288-2293.”中描述了一种二维的大气压等离子体射流阵列，该装置喷嘴由五个并联的单喷嘴单元组成，每个单元由石英玻璃管组成(长度：180mm，内径：2mm，外径：4mm)，该石英玻璃管由距离喷嘴50mm的铜片电极包裹，作为接地电极，并使用Ar/三甲基硅氧烷混合气体作为放电气体，产生稳定等离子体射流对环氧树脂表面进行改性，改性后水接触角显著上升，表面形成珊瑚状凹凸结构。Wang R等人在“Microsecond pulse driven Ar/CF4plasma jet for polymethylmethacrylate surface modification at atmosphericpressure”描述了一种一维的针-环电极形式的等离子体射流装置，该装置由一根2mm的钨针和一根外径为10mm，内径为7mm的玻璃管构成，以1cm宽的圆形铜包裹在石英玻璃管的外部作为地电极，通入Ar和CF4的混合气体并利用微秒脉冲电源驱动产生等离子体射流对PMMA进行憎水改性，使PMMA表面形成山状颗粒，粗糙度增加。Jae Young Kim在“IntensePlasma Emission From Atmospheric-PressurePlasma Jet Array by Jet-to-JetCoupling”中描述了一种三维的圆柱形等离子体射流阵列，该装置采用7个直径小的石英玻璃管(内径为1mm，外径为2mm)围绕中间一个直径大的石英玻璃管(内径2mm，外径3mm)，而中心管端口平面相比外周玻璃管端口平面突出1mm，将铜带缠绕在距玻璃管口末端10mm的位置上作为带电电极，将铟锡氧化物(ITO)玻璃与石英管的末端隔开25毫米，作为接地电极，该装置可以使阵列中射流之间进行耦合从而产生高强度的等离子体射流。从以上的总结可以看出，等离子体射流装置具有多种类型。

现有的等离子体射流处理材料的装置都比较单一，大多数是点处理，部分为面处理，但是由于等离子体射流的直径较小，就算是使用等离子体射流阵列，也会出现由于与材料表面的接触面小，导致材料处理不充分的问题，这样就很难达到预期的效果。而且现有的等离子体射流处理材料的装置放电结构单一，并不能根据不同的处理需求去随时调整放电结构，大多数装置也不能随时调整等离子体射流处理材料的距离。以上问题使得等离子体处理材料不能得到灵活应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，不仅可以解决现有因等离子体射流装置产生的等离子体射流过小而导致处理材料不充分的问题，还能解决当前等离子体射流装置结构固定不能随时调整处理距离以及放电结构单一不能根据不同的需求随时变化的问题，本发明的多个等离子体发生器还能使处理时间缩短以提高处理效率，平移台移动材料使材料处理更加充分、方便。

本发明的技术方案为：一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，包括进气腔体、电动平移台和多个等离子体发生器；

所述进气腔体的一侧设有进气通道，进气通道用以通入放电气体，进气腔体的底部设有多个出气孔；

所述等离子体发生器通过连接器与出气孔连接；

所述电动平移台位于等离子体发生器下方，待处理材料放置于电动平移台上，电动平移台用以带动待处理材料横向移动和纵向移动，同时调节进气腔体和待处理材料的竖直距离。

进一步，所述等离子体发生器为针-环结构等离子体发生器和/或环-环结构等离子体发生器，所述连接器为针-环连接器和/或环-环连接器，针-环结构等离子体发生器通过针-环连接器连接至出气孔，环-环结构等离子体发生器通过环-环连接器连接至出气孔。

进一步，所述针-环结构等离子体发生器包括高压针型电极、环型电极和绝缘介质玻璃管，高压针型电极插入绝缘介质玻璃管内，环形电极套设于绝缘介质玻璃管外，针型高压电极为上部漏斗形下部针型的中空金属导体电极，气体从其内部通过，高压针型电极连接至高压频率可调交流电源的高压端，环型电极连接至高压频率可调交流电源的接地端，等离子体射流在针型高压电极的下部针尖产生。

进一步，所述环-环结构等离子体发生器包括两个环形电极和绝缘介质玻璃管，两个环形电极分别套在绝缘介质玻璃管外的上部和下部，靠上方的环型电极连接至高压频率可调交流电源的高压端，靠下方的环型电极连接至高压频率可调交流电源的接地端。

进一步，所述针-环连接器和环-环连接器均为内部中空的上大下小的圆柱结合体，所述针-环连接器的侧面设有小孔。

进一步，还包括塞口，所述塞口用以封堵出气孔。

进一步，所述放电气体为纯Ar气体或者为Ar与H

进一步，所述电动平移台包括底座、滑块、螺纹杆、放置板、支撑杆、支撑滑块和电机；所述螺纹杆的两端分别与底座活动连接，电机的输出轴与螺纹杆的一端连接，滑块设有螺纹孔，滑块通过螺纹孔与螺纹杆连接，放置板与滑块滑动连接，放置板的滑动方向与螺纹杆垂直，支撑杆与底座垂直连接，支撑滑块与支撑杆滑动连接，支撑滑块上设有锁定装置，锁定装置用以将支撑滑块锁定至支撑杆，待处理材料放置于放置板上，进气腔体与支撑滑块连接。

进一步，所述支撑杆上设有刻度，使得调节进气腔体与待处理材料之间的纵向距离更为方便、更加准确。

进一步，所述滑块的顶面设有滑槽，滑槽的延伸方向与螺纹杆垂直，放置板的底面设有滑动杆，滑动杆嵌入滑槽内。

上述结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置的工作原理：在进行材料处理时，需要将待处理材料放置于放置板上，调整支撑滑块即可调整等离子体发生器距离待处理材料的距离，通过控制电动工作可以使材料横向移动。通入放电气体后，接通高压频率可调交流电源产生等离子体射流喷射到待处理材料表面上，这时若有n个等离子体发生器同时喷射等离子体，则滑块横向移动一次后材料横向的同一个位置上相当于已经被喷射了n次，提高了处理效率；此外，还可以根据需求增减等离子体发生器的数量或改变腔体的形状以及出气孔数量。本发明还可根据不同的需求随时更换放电结构，能满足多种处理材料的要求，真正使大气压低温等离子体处理材料的灵活性得到了提高。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明的结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，可根据不同的放电需求随时更换放电结构，同时可根据不同的需求减少等离子体发生器的数量，能满足多种处理材料的要求，真正使大气压低温等离子体处理材料的灵活性得到了提高。

本发明的结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，解决了等离子体射流装置结构固定导致等离子体射流位置不可调以及处理材料不充分和放电结构单一的问题，不仅能随时调整等离子体射流处理材料的距离和随时更换放电结构，还能随时调整被处理区域的位置和增大等离子体射流的面积，真正实现全方位处理材料，提高了等离子体处理材料的灵活性、方便性，使得等离子体射流处理材料得到更加广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的针-环结构等离子体发生器、环-环结构等离子体发生器和塞口与进气腔体的装配示意图。

图2为本发明的电动平移台的侧视图。

图3为本发明的电动平移台的俯视图。

图4为本发明的针-环结构等离子体发生器和环-环结构等离子体发生器的结构示意图。

图5为本发明实施例1的等离子体发送器和进气腔体的装配示意图。

图6为本发明实施例2的等离子体发送器和进气腔体的装配示意图。

图7为本发明实施例3的等离子体发送器和进气腔体的装配示意图。

图8为本发明实施例4的等离子体发送器和进气腔体的装配示意图。

进气腔体1、进气通道101、出气孔102、针-环连接器2、环-环连接器3、塞口4、绝缘介质玻璃管5、高压针型电极6、环型电极7、高压频率可调交流电源8、底座9、滑块10、螺纹杆11、放置板12、支撑杆13、支撑滑块14、电机15、滑槽16、锁定装置17。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置，其特征在于，包括进气腔体1、针-环连接器2、环-环连接器3、电动平移台、多个等离子体发生器和塞口4。

进气腔体的一侧设有进气通道101，进气通道用以通入放电气体，进气腔体的底部设有多个出气孔102，放电气体为纯Ar气体或者为Ar与H

等离子体发生器为针-环结构等离子体发生器和/或环-环结构等离子体发生器；针-环结构等离子体发生器包括绝缘介质玻璃管5、高压针型电极6和环型电极7，高压针型电极插入绝缘介质玻璃管内，环形电极套设于绝缘介质玻璃管外，针型高压电极为上部漏斗形下部针型的中空金属导体电极，气体从其内部通过，上部漏斗内径为4mm，上部的长度为7mm，下部针型部分的直径为1.8mm，长度为37mm；高压针型电极连接至高压频率可调交流电源的高压端，环型电极连接至高压频率可调交流电源的接地端，等离子体射流在针型高压电极的下部针尖产生。

环-环结构等离子体发生器包括两个环形电极和绝缘介质玻璃管，两个环形电极分别套在绝缘介质玻璃管外的上部和下部，靠上方的环型电极连接至高压频率可调交流电源的高压端，靠下方的环型电极连接至高压频率可调交流电源8的接地端。在本实施例中，环形电极为金属铜环，其直径为4mm、宽度为3mm，绝缘介质玻璃管为介质石英玻璃管，其外径为4mm、内径为2mm、长度为38mm，其两端均为平整端口，所述高压频率可调交流电源是电压幅值0-40kV可调的射流等离子体电源，电压源型号为CTP-2000K，电源工作频率在1Khz到100Khz之间。

针-环结构等离子体发生器通过针-环连接器连接至出气孔，环-环结构等离子体发生器通过环-环连接器连接至出气孔，针-环连接器和环-环连接器均为内部中空的上大下小的圆柱结合体，圆柱结合体下部中空部分的内径比绝缘介质玻璃管的外径略大，区别在于，针-环连接器的侧面设有小孔，小孔用以供导线穿过，将针型高压电极与高压频率可调交流电源的高压端连接起来。绝缘介质玻璃管的上端缠绕四氟乙烯生料带后与针-环连接器或环-环连接器连接，保证了密封性和可靠性。

针-环连接器、环-环连接器和塞口分别缠绕四氟乙烯生料带插入出气孔内，便可与近气腔体紧密连接，保证良好的气密性。

在本实施例中，进气腔体底部设有五个出气孔，五个针-环结构等离子体发生器通过针-环连接器连接至出气孔。

电动平移台包括底座9、滑块10、螺纹杆11、放置板12、支撑杆13、支撑滑块14和电机15；所述螺纹杆的两端分别与底座活动连接，电机固定于底座的外侧，电机的输出轴与螺纹杆的一端连接，滑块设有螺纹孔，滑块通过螺纹孔与螺纹杆连接，放置板安装于滑块的顶面，在本实施例中，滑块的顶面设有滑槽16，滑槽的延伸方向与螺纹杆垂直，放置板的底面设有滑动杆，滑动杆嵌入滑槽内，使得放置板可纵向移动，放置板沿滑动方向设有刻度，使滑动更加准确；支撑杆与底座垂直连接，支撑滑块与支撑杆滑动连接，支撑滑块上设有锁定装置17，锁定装置用以将支撑滑块锁定至支撑杆，待处理材料放置于放置板上，进气腔体与支撑滑块连接。在本实施例中，支撑滑块设有滑孔，支撑杆插入滑孔内，锁定装置为活动连接于支撑滑块侧面的螺栓，通过转动螺栓，使螺栓的末端抵接支撑杆，来实现支撑滑块的锁定，支撑杆上设有刻度，使得调节进气腔体与待处理材料之间的竖向距离更为方便、更加准确。通过电机工作带动螺纹杆转动，螺纹杆转动使得滑块横向运动，进一步带动待处理材料横向移动，滑块横向移动的速度为4-6mm/s。

上述结构可调的大气压低温等离子体射流阵列处理装置的工作原理：在进行材料处理时，需要将待处理材料放置于放置板上，调整支撑滑块即可调整等离子体发生器距离待处理材料的距离，通过控制电动工作可以使材料横向移动。通入放电气体后，接通高压频率可调交流电源产生等离子体射流喷射到待处理材料表面上，这时若有n个等离子体发生器同时喷射等离子体，则滑块横向移动一次后材料横向的同一个位置上相当于已经被喷射了n次，在本实施例中，即是横向移动一次后相当于材料已经被处理5次，提高了处理效率；此外，还可以根据需求增减等离子体发生器的数量或改变腔体的形状以及出气孔数量。本发明还可根据不同的需求随时更换放电结构，能满足多种处理材料的要求，真正使大气压低温等离子体处理材料的灵活性得到了提高。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述进气腔体底部设有五个出气孔，三个针-环结构等离子体发生器通过针-环连接器连接至出气孔，剩余两个出气孔通过塞口密封。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，所述进气腔体底部设有五个出气孔，五个环-环结构等离子体发生器通过环-环连接器连接至出气孔。

实施例4

所述进气腔体底部设有五个出气孔，三个环-环结构等离子体发生器通过环-环连接器连接至出气孔，剩余两个出气孔通过塞口密封。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。